Sau prin înlocuirea unui grup care pleacă, de exemplu. nucleof. înlocuire la sat. atom de carbon sau aromatic. inel, nucleofil
adiție la o grupare carbonil sau alchene și alchine, nucleoph. substituție la atomul de carbon carbonil, nucleoph. substituție la atomul de fosfor.
Naib. au fost studiate raioanele N u k l e o f. ÎNLOCUIREA SATURITĂȚII atom de carbon:
Rațiile de acest tip sunt de obicei folosite și pentru calități. și cantități. definiţii ale conceptelor care caracterizează reacţiile nucleofile.În aceste situații, nucleofilul este particula X:, care furnizează org. substrat câțiva electroni. Pentru grupul Z care pleacă cu perechea sa de electroni: se acceptă numele. n u k le o-f u g (din lat. nucleu - nucleu si fuga - fuga). Despre viteza și mecanismul nucleof r-tion. Substituțiile au o influență decisivă asupra nucleofililor. reacţie capacitate (sau nucleofil
ity, „forță nucleofilă”) a reactivului X:, rsacc nucleofugal. capacitatea (sau nucleofugia) grupului Z:, natura substratului și condițiile soluției (temperatură, soluție, presiune etc.). Nucleofilitatea, spre deosebire de bazicitate, este o cantitate cinetică, nu termodinamică, adică o cantitate. măsura nucleofului.
reacţie capacitatea este deservită de constanta de viteză a fluxului și nu de constanta de echilibru.
Cu monomol. În acest proces, inițial, sub influența unui p-solid, are loc ionizarea substratului cu formarea de trei coordonate.
carbocation și nucleofuge (acest pas determină de obicei viteza întregului proces), urmat de o etapă de cuplare rapidă a carbocationului cu nucleofilul. În acest caz, atacul nucleofilului este la fel de probabil pe ambele părți, și în cazul asimetric. reacţie centru, se observă de obicei formarea racemaților. Cu bimol. proces, se formează o structură cu cinci coordonate. starea de tranziție, iar atacul nucleofilului este efectuat din partea opusă substituentului ieșitor, ceea ce duce la o inversare a configurației, de exemplu. așa-zis Inversiunea valdeniană (vezi Stereochimia dinamică).
Ordinul S N l are de obicei un ordin 1 total; viteza sa, de regulă, nu depinde de natura nucleofilului și de concentrația sa, ci depinde puternic de natura nucleofugului și a reziduului p. Cinetica soluției S N 2 este descrisă printr-o ecuație de ordinul al 2-lea - prima față de substrat și prima față de nucleofil. Viteza soluției în acest caz depinde atât de concentrație, cât și de substanța chimică. natura nucleofilului.
Mai multe sunt cunoscute. abordări ale cantităților. evaluarea nucleofului. reacţie capacitatea reactivului X: pe baza corelației. relaţii atât în procesele S N 2 cât şi în S N 1.
Pentru soluții S N 2 în apă sau metanol max. Ecuația Sven-Scott log (k/k 0) = S este utilizat pe scară largă. n, unde k și k 0 sunt constantele de viteză ale soluției de substrat, respectiv.
cu un anumit nucleofil și apă, S este parametrul de sensibilitate al substratului la o modificare a nucleofilului (S = 1 pentru substratul standard CH3Br) și parametrul de nucleofilitate al reactivului (Tabelul 1).
Masă
O măsură a nucleofugiei pot fi constantele vitezei de solvoliză (procedând conform mecanismului S N 1 ) ale aceluiași tip de substraturi, care diferă doar prin natura grupului lasabil (Tabelul 2).
Mai multe sunt cunoscute. abordări ale cantităților. evaluarea nucleofului. reacţie capacitatea reactivului X: pe baza corelației. 2. CONSTANENTE RELATIVE ALE SOLVOLIZEI
(k rel) UNELE GRUPURI LASĂ [substrat-Ph(CH 3)CHZ în 80%
etanol apos, 75°C]
Nucleofugele „bune” includ org. sulfonat (tosilat, mesilat, triflat), fluorosulfat (FSO - 3) și anioni perclorat (ClO - 4). Covalent org. derivații acestor anioni sunt folosiți pe scară largă ca reactivi de alchilare — substraturi extrem de active în reacțiile nucleofile. Particulele nucleofuge chiar mai bune sunt azotul din sărurile de alchildiazoniu (RN + 2), iodul trivalent (de exemplu, grupa IСl 2), apa dinprotonir.alcool și trialchil eter
săruri de nia;
oricât de alifatică. substraturile care conțin aceste grupări în structura lor sunt de obicei instabile la temperatura camerei și sunt utilizate doar ca intermediari activi generați direct în reacție. mediu.
Sunt mai multe dif.abordări teoretice interpretarea conceptelor de nucleofilitate și nucleofugie și evaluarea factorilor care influențează valoarea acestora. De bază factori - bazicitate (aciditate), polarizabilitate, solvabilitate. efecte, magnitudini ale potentialelor de ionizare si oxidare, steric. și electrostatic efecte, disponibilitate perechea de electroni pe atomul adiacent nucleofilului. centru, puterea legăturii cu atomul de carbon. De remarcat că corelația directă a nucleofilității cu c.-l. unul dintre acești parametri nu este de obicei prezent și nici nu există o corelație între nucleofilitate și nucleofugie; de exemplu, anionul tiolat RS este un nucleofil bun, dar o bază slabă și o grupare plecabilă „rea”, anionul hidroxid HO este o bază bună și nucleofil, dar o grupare plecabilă proastă. Anionii celor mai puternici acizi de clor și trifluormetansulfonic sunt buni nucleofuge și, în același timp, sunt capabili să prezinte proprietăți nucleofile.
În primul caz, nucleofilul este adăugat inițial la compusul aromatic. substrat cu formarea intermediarilor.
produs (uneori stabil - așa-numitul complex Meisenheimer), desprinderea nuclesofogului din care duce la produsul final de substituție. Substituenții atrăgătoare de electroni din nucleu (NO 2, COR, CN etc.) se stabilizează
Nomenclatură:
1) înlocuire (sistematică),
2) radical-funcțional.
Pentru reprezentanții inferiori și cei mai obișnuiți, sunt acceptabile și denumirile triviale, de exemplu, fluoroform, cloroform, bromoform, iodoform, fluorotan.
Structură și proprietăți În funcție de natura halogenului de la fluor la iod, polaritatea legăturii C–Hal
scade (deoarece electronegativitatea halogenului scade), dar polarizabilitatea acestuia crește și lungimea acestuia crește (deoarece raza atomului de halogen crește), iar puterea legăturii scade. Deoarece polarizabilitatea legăturii C–I este cea mai mare, atunci când iodoalcanii sunt dizolvați în solvenți polari, această legătură este ușor polarizată până la clivaj heterolitic, adică până la disocierea heterolitică a iodoalcanului:® R–I R++ I
- . Mai mult, proprietățile chimice ale compușilor depind puternic de polarizabilitatea acestora.
Reacții de substituție nucleofilă
Particule nucleofile: - HO - , - ,RO - NH2, F - , Cl - , Br - , eu - ,CN - , - , H
CH2-R¢ H20, ROH, NH3, RNH2, RR
NH, H2S, RSH
Mecanismul substituției nucleofile bimoleculare
Mecanismul substituției monomoleculare
unde II este o pereche de ioni apropiată
III - pereche de ioni liberi
IV și V - ioni disociați
1. Factori care influențează mecanismul și viteza de substituție nucleofilă.
Influența structurii substratului
brometan brometan 2-brompropan Viteză S N
,
2-reacții:
Prin urmare, o rată ridicată a reacțiilor de substituție nucleofilă poate fi caracteristică atât pentru halogenurile de alchil primare, cât și pentru cele terțiare. În primul caz - datorită ușurinței interacțiunii prin S N
2-mecanism (acces liber la centrul de reacție, fără obstacole sterice), În primul caz - datorită ușurinței interacțiunii prinîn al doilea - prin
1-mecanism (ușurință de disociere a substratului, stabilitatea carbocationului rezultat).
2. Halogenurile de alchil secundare în cele mai multe cazuri trebuie să reacționeze printr-un mecanism mixt, iar viteza lor de reacție va fi relativ scăzută, deoarece există obstacole în calea substituției atât monomoleculare, cât și bimoleculare.
3. Influența naturii nucleofilului.
4. Efectul solvenților și catalizatorilor.
Influența naturii grupului care părăsește.
1) Exemple de reacții de substituție nucleofile Hidroliza haloalcanilor
- aceasta este transformarea lor în alcooli conform schemei:® R-X + H20
Mecanism de reacție: Viteză 1sau În primul caz - datorită ușurinței interacțiunii prin 2 - determinată în principal de structura substratului, precum și de alți factori. De exemplu, hidroliza alcalină a brometanului ( Viteză 2-mecanism):
Hidroliza acidă a 2-brom-2-metilpropanului ( Viteză 1-mecanism):
2) Alcooliza haloalcanilor- aceasta este interacțiunea haloalcanilor cu alcoolați metalici ( Reacția lui Williamson), conducând la formarea de eteri:
R-Hal + R¢ -O - Na+®R-O-R¢ + NaHal
Particulă nucleofilă - anion alcoolat R¢ -O - .
Mai mult, în timpul sintezei esterilor amestecați (cu diferite RŞi R¢) este necesar să se facă alegerea corectă a haloalcanului și alcoolatului ( RHalŞi R¢ -O- sau R¢ HalŞi R-O - - în funcție de structura radicalilor de hidrocarburi), astfel încât reacția să se desfășoare cu cea mai mare viteză, iar posibilitatea formării alchenei (apariția unei reacții de eliminare concurente) este redusă la minimum.
3) Amonoliza haloalcanilor- aceasta este interacțiunea haloalcanilor cu amoniacul, care duce la producerea de amine (sau sărurile acestora) - alchilarea aminelor conform lui Hoffmann
R-X + NH3®[ R-NNH 3]+ X - R-NH2 + NH4X
4) Înlocuirea unui atom de halogen cu altul:
R-Br+I - ® R-I + Br -
Un mediu acid și solvenții protici favorizează înlocuirea atomului de fluor,
iar solvenții aprotici foarte polari, dimpotrivă, conțin atomul de iod, deoarece nucleofilitatea ionilor de halogenură scade în serie. eu - >Br - >Cl - >F -
5) Interacțiune cu cianura este interacțiunea haloalcanilor cu sărurile acidului cianhidric, ducând la formarea de cianuri organice (nitrili) sau izocianuri. Ionul de cianura este ambiantă un nucleofil, adică este capabil să-și manifeste proprietățile nucleofile, atât datorită atomului de carbon, cât și atomului de azot:
- : Cº N® : C=N: -
Mecanism În primul caz - datorită ușurinței interacțiunii prin 1 - duce la formarea de izocianuri (izonitrili):
R++: C=N: - ® R-N=C:
Mecanism În primul caz - datorită ușurinței interacțiunii prin 2:
Aceasta produce cianuri (nitrili).
6) Interacțiunea cu nitriții.
Anionul nitrit este, de asemenea, un nucleofil ambident.
Prin urmare, interacțiunea sa cu haloalcanii poate duce fie la compuși nitro, fie la esteri ai acidului azot.
În substituția nucleofilă, nucleofilul atacă molecula substratului, furnizându-i electronii săi pentru a forma o nouă legătură. Electronii legăturii de rupere pleacă împreună cu ionul eliberat. Astfel de reacții ionice apar predominant în faza lichidă, deoarece solventul stabilizează ionii rezultați prin solvatare, ceea ce este imposibil în faza gazoasă.
Substituția nucleofilă permite introducerea în moleculă a unui compus organic a unui număr mare de grupări funcționale care pot acționa ca nucleofile. De exemplu:
Moleculele neutre pot acționa și ca nucleofili, de exemplu:
Exemple de reacții care implică bromura de etil ca substrat sunt date mai jos:
O caracteristică specială a reacțiilor de substituție nucleofilă este că sunt una dintre cele mai comune în chimia organică și, prin urmare, una dintre cele mai studiate. În special, studiul cineticii reacțiilor de substituție nucleofilă. Cinetica chimică este studiul modificărilor concentrației de reactanți sau produse în timp. Modificarea este caracterizată de derivata concentrației în timp dc/dt. Stabiliți relația dintre derivat și concentrațiile reactanților sau, dacă este necesar, cu concentrațiile produselor.
Un studiu al modificărilor concentrației de reactivi în timp în condițiile unei reacții de substituție nucleofilă a arătat că sunt posibile două cazuri:
În primul caz, modificarea concentrației este proporțională doar cu concentrația substratului dc/dt = K[halogenură de alchil]
În al doilea caz, modificarea concentrației este proporțională cu concentrația substratului și concentrația particulei nucleofile - dc/dt = K[halogenură de alchil]×[nucleofil]
Mecanismul corespunzător primului caz se numește substituție nucleofilă monomoleculară și este desemnat S N 1 .
Mecanismul corespunzător celui de-al doilea caz se numește substituție nucleofilă bimoleculară și se notează S N 2
1.4.2. Mecanism S N 1. Substituția monomoleculară
Prin mecanism S N 1 , de exemplu, are loc hidroliza freacă-bromura de butil:
În mecanism S N 1 Se disting următoarele etape:
În prima etapă, derivatul de halogen este ionizat pentru a forma un ion carbocation și bromură. Această etapă limitează viteza și se caracterizează prin cea mai mare energie de activare:
Ionul de bromură formează legături de hidrogen cu moleculele de apă și este astfel stabilizat. Carbocationul rezultat este de asemenea stabilizat prin solvatare cu solvent. Dar stabilitatea carbocationului în sine este de o importanță mai mare. Trebuie să fie stabilizat prin efecte electronice intramoleculare, așa-numitele. să fie terțiar sau să fie în conjuncție cu un sistem de electroni π (să fie stabilizat rezonant).
În a doua etapă, are loc o interacțiune rapidă a carbocationului cu un nucleofil, în special cu apa.
nucleul, mecanismul lor.
7.1. Înlocuirea atomilor de hidrogen.
Atacul nucleofil al inelului benzenic nesubstituit este mult mai dificil decât atacul electrofil, ceea ce se explică prin următoarele motive:
1) norul de electroni π al inelului benzenic respinge nucleofilul care se apropie (:Nu: -- );
2) sistemul de electroni π al inelului benzenic este mult mai puțin capabil de delocalizare și, în consecință, de a stabiliza doi electroni în plus într-un complex încărcat negativ (5C reprezintă 6e) decât în complexul Ueland încărcat pozitiv (5C - 4e) ;
3) în reacțiile de substituție nucleofilă a hidrogenului în inelul benzenic, ionul hidrură trebuie înlocuit N: -- , care este o bază puternică și are o energie mare, adică. Ionul hidrură este un grup de părăsire slab, spre deosebire de un grup de ieşire mult mai bun N + , în timpul unui atac electrofil:
complex sigma
complex sigma
Complexul Ueland
Cu toate acestea, atunci când substituenții atrăgătoare de electroni sunt introduși în inelul benzenic, densitatea electronilor în inel scade atât de mult încât reacția cu reactivii nucleofili devine posibilă.
În acest caz, substituentul care atrage electroni (de exemplu, o grupare nitro) direcționează atacul nucleofil către pozițiile orto și para, în timp ce în reacțiile de substituție electrofilă atacul are loc în poziția meta și reacția încetinește:
Alți substituenți atrăgătoare de electroni ( −CN; −COH; −COR; 3 −COOH; −COOR; −CCl
etc.) cresc, de asemenea, reactivitatea, dar într-o măsură mai mică decât grupul nitro.
De exemplu, atunci când nitrobenzenul este fuzionat cu KOH, se formează orto-nitrofenol și o cantitate mică de para-nitrofenol:
Un atac la poziția orto este de preferat, deoarece efectul inductiv al grupului nitro, care acționează la distanță scurtă, creează o lipsă mai mare de electroni în orto decât în poziția para.
Mecanismul de reacție Se pot scrie și alte structuri de limită, dar cele mai importante sunt structurile 1v și Shb, în care sarcina negativă este situată pe atomul de carbon legat direct de grup. 2 NU
, deoarece în acest caz este posibil să scrieți structuri de limită suplimentare 1r și 3r pentru pozițiile orto și para, în care se acumulează o sarcină negativă pe atomul de oxigen al grupului nitro. Acest lucru este posibil numai dacă grupul atacator EL
ocupă o poziţie orto sau para faţă de grupul nitro.
Prezența a două și mai ales a trei grupări nitro într-o poziție meta una față de alta promovează în continuare reacțiile cu reactivii nucleofili. De exemplu, atunci când meta-dinitrobenzenul reacţionează cu un alcalin sau cu o amidă de sodiu, unul dintre atomii de hidrogen situati în poziţiile orto sau para este înlocuit cu o grupare. OH, sau pe 2 :
N.H.
Trinitrobenzenul simetric reacționează cu alcalii pentru a forma acid picric:
Astfel, Înlocuirea unui atom de hidrogen în compușii aromatici cu reactivi nucleofili poate fi efectuată numai dacă acești compuși conțin grupuri puternice de atragere de electroni care sunt în poziție meta unul față de celălalt și direcționează atacul nucleofil către pozițiile orto și para față de ele. .
Reacțiile nucleofile sunt reacții heterolitice ale compușilor organici cu reactivi nucleofili. Nucleofilii includ anioni și molecule (organice și anorganice) care, în timpul unei reacții, își consumă singura pereche de electroni pentru a forma o nouă legătură.
Viteza și mecanismul reacției S N sunt determinate de:
Nucleofilitatea (nucleofilitatea) reactivului Y
Natura substratului
Capacitatea nucleofugică de părăsire a grupului
Condiții de reacție
Nucleofilitatea, spre deosebire de bazicitate, este o mărime cinetică și nu termodinamică, adică. Măsura cantitativă a nucleofilității este constanta vitezei de reacție, nu constanta de echilibru.
Există 2 cazuri limitative de S N:
Sn. Concepte de chimie cuantică
S N poate fi gândit ca interacțiunea dintre HOMO al nucleofilului și LUMO al substratului. Energia de interacțiune:
, – se încarcă pe centrul de reacție al nucleofilului Y și atomul de carbon al substratului la care are loc atacul.
– distanta dintre centrii de reactie.
– coeficientul orbitalului atomic al unui atom aparținând unui nucleofil, care este un centru nucleofil, adică. caracterizează contribuția atomului nucleofil la HOMO Y.
– caracterizează aportul atomului de carbon (centrul electrofil) la LUMO al substratului.
– modificarea integralei de rezonanță, care caracterizează eficiența suprapunerii HOMO Y și LUMO a substratului.
, – energiile HOMO Y și LUMO ale substratului.
În cazul S N 1, când interacțiunea dintre un cation și un anion are loc și centrul de reacție poartă o sarcină pozitivă, factorul determinant este componenta coulombiană, iar reactivitatea relativă a nucleofililor crește simpatic cu bazicitatea lor. În acest caz, se spune că reacția are loc sub controlul sarcinii.
Situația este mai complexă în S N 2. În faza gazoasă și în solvenții aprotici, unde solvatarea anionului este mică și sarcina pe nucleofil este mai localizată, se observă și controlul sarcinii. Cu toate acestea, în solvenții protici (alcooli), sarcina de pe nucleofil este delocalizată ca urmare a solvației. Încărcarea de pe centrul de reacție este, de asemenea, mică. În acest caz, rolul interacțiunii Coulomb este mai mic și principala contribuție la energia de interacțiune este adusă de componenta orbitală. Ei spun că reacția are loc sub control orbital. Prezența unui donor în nucleofil crește sarcina pe centrul de reacție, crescând astfel contribuția componentei de sarcină în plus, introducerea unui substituent donor duce la o ușoară creștere a energiei HOMO a nucleofilului; la o creştere a componentei orbitale. Că. introducerea ED în molecula nucleofilă duce la o creștere a vitezei de reacție. În seria de halogeni ca nucleofili, interacțiunea Coulomb scade de la fluor la iod, ceea ce este o consecință a scăderii localizării sarcinii negative și a creșterii distanței dintre atomi. În același timp, interacțiunea orbitală crește, deoarece energia LUMO a halogenilor (HOMO) crește.
Spre deosebire de S E, unde un atom de hidrogen este de obicei supus substituirii, în S N sunt înlocuite grupările funcționale (halogeni, sulfo-, nitro- etc.).